KR20070047123A - 씨모스 이미지 센서의 픽셀 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서의 픽셀 구동회로에 관한 것으로, 본 발명에 의한 픽셀 구동회로는, 제 1 노드 및 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드에 연결되어, 상기 광전 변환소자에 의해 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자에 연결되며, 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력하는 제 2 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드 및 전원 단자에 연결되며, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 능동소자; 상기 제 2 능동소자 및 접지 단자에 연결되어, 상기 제 1 능동소자를 바이어싱하는 제 1 전류원; 및 상기 제 1 능동소자 및 상기 제 2 능동소자와 상기 전원 단자 및 출력단 사이에 연결되어, 상기 제 1 능동소자의 제 2 단자 및 제 3 단자 사이의 전위차를 일정하게 유지시키는 전압 유지부;를 포함한다.

픽셀 구동회로, 전압 유지부, 능동소자, 버퍼, 전압 이득

Description

씨모스 이미지 센서의 픽셀 구동회로{PIXEL DRIVING CIRCUIT OF CMOS IMAGE SENSOR}

도 1은 종래 기술에 따른 3-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로의 회로도

도 2는 종래 기술에 따른 4-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로의 회로도

도 3은 종래 기술에 따른 제 1 MOS 트랜지스터의 전압 이득 특성을 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 픽셀 구동회로의 회로도

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 픽셀 구동회로의 회로도

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

400, 500 : 픽셀 구동회로 401, 501 : 광전 변환소자

402, 502 : 제 1 능동소자 403, 503 : 제 2 능동소자

404, 504 : 제 3 능동소자 505 : 제 4 능동소자

405, 506 : 제 1 전류원 406, 507 : 전압 유지부

406a,507a: 제 1 버퍼 406b,507b: 저항

406c,507c: 제 2 버퍼 406d,507d: 제 2 전류원

407, 508 : 제 1 노드 408, 509 : 제 2 노드

409, 510 : 제 3 노드 511 : 제 4 노드

410, 512 : 선택 신호 411, 513 : 리셋 신호

514 : 트랜스퍼 신호

본 발명은 씨모스 이미지 센서의 픽셀 구동회로에 관한 것으로, 소스 팔로워의 역할을 하는 능동소자가 균일한 전압이득을 갖도록 상기 회로를 구현함에 따라, 고정잡음 특성이 개선되고, 다이나믹 레인지 및 신호대 잡음비가 향상될 뿐 아니라 고화질의 이미지를 출력할 수 있는 이점이 있다.

이미지 센서는, 빛이 컬러 필터(color filter)를 통해 광 도전체에 들어오면 빛의 파장과 세기에 따라 광 도전체에서 발생한 전자-전공이 신호를 형성하여 출력부까지 전송하는 것으로, 그 방식에 따라 CCD(Charge Coupled Device) 이미지센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분된다.

CCD 이미지 센서는 수광부인 포토 다이오드와 전하 전송부 및 신호 출력부로 구성된다. 포토 다이오드는 광을 받아들여 신호 전하를 생성하고, 전하 전송부는 포토 다이오드에서 생성된 신호 전하를 CCD를 이용하여 손실없이 신호 출력부로 전달하며, 신호 출력부는 신호 전하를 축적하고 신호 전하량에 비례하는 전압을 감지 하여 아날로그 출력을 낸다. 따라서, CCD 이미지 센서는 마지막 단에서 전압의 형태로 변환하기 때문에 노이즈 특성이 우수하며, 이에 따라 고화질 디지털 카메라(Digital Camera) 및 캠코더(Camcorder) 등에 사용된다. 그러나 상기 CCD 이미지 센서는, 구동방식이 복잡하여 큰 전압이 요구될 뿐 아니라 별도의 구동회로가 필요하게 되므로 전력소비가 크며, 마스크 공정의 단계 수가 많기 때문에 신호 처리회로를 CCD칩 내에 구현할 수 없는 등의 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여, 서브 마이크론 CMOS 이미지 센서에 대한 많은 개발이 이루어 지고 있다.

CMOS 이미지 센서는, CCD 이미지 센서와는 달리 각각의 포토 다이오드에서 발생한 신호 전하를 전압으로 변환하고 이를 마지막 단까지 전달함으로써, CCD 이미지 센서에 비해 신호가 약하며, 고정적으로 발생하는 노이즈 뿐만 아니라 암전류(dark current)에 기인한 노이즈 등으로 잡음이 생기는 단점을 가진다. 그러나 반도체 공정 기술이 발전함에 따라, CDS(Correlated Double Sampling)회로를 채용하게 되어 리셋 노이즈를 대폭 개선함으로써 좀더 향상된 수준의 이미지 신호를 얻을 수 있게 되었다. 즉, CDS 회로는 이미지 화소의 리셋 전압을 샘플링한 다음, 신호 전압을 샘플링하는 동작을 수행하며, 이때 CDS 회로의 출력은 리셋 전압과 신호 전압의 차이가 되므로, 이미지 화소 내의 트랜지스터의 문턱 전압 차이에서 오는 고정 패턴 노이즈 및 리셋 전압의 차이에서 오는 리셋 노이즈가 억제됨으로써 좀더 고해상도의 이미지를 얻을 수 있게 되었다. 이에 따라, CMOS 이미지 센서는 디지털 카메라와, 모바일 폰(Mobile Phone) 및 PC 카메라 등에 폭넓게 사용되고 있으며, 최근에는 오토 모바일(Automobile) 등과 같은 특수한 용도로까지 확대되고 있다.

한편, 오토 모바일 등과 같은 특수한 용도의 CMOS 이미지센서를 구현하기 위해서는 이미지 화소의 크기를 줄이는 것보다 암전류를 최소화하고 고온동작 특성을 개선하는 것이 중요하다.

또한, 이외에도 CMOS 이미지 센서는 고해상도의 이미지를 얻기 위하여 다수의 요건들을 만족해야 한다. 즉, 높은 신호대 잡음비(S/N), 높은 양자 효율, 높은 필 팩터, 높은 다이나믹 레인지 등을 만족해야 한다.

상기에서 언급한 CMOS 이미지 센서가 만족해야 하는 요건들을 갖추기 위해서, 이미지 화소의 구조는 1-MOS 트랜지스터 구조, 3-MOS 트랜지스터 구조, 4-MOS 트랜지스터 구조의 순으로 발전하여 왔다.

도 1은, 종래 기술에 따른 3-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로(100)의 회로도를 나타낸 것이다.

도 1에서 도시한 바와 같이, 3-MOS 트랜지스터의 픽셀 구동회로(100)는, 포토 다이오드(101), 제 1 MOS 트랜지스터(102), 제 2 MOS 트랜지스터(103), 제 3 MOS 트랜지스터(104), 전류원(105)으로 구성되어 있다.

여기서, 상기 포토 다이오드(101)는, 제 1 노드(206)와 접지 단자(VSS)에 연결되어 있으며, 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 기능을 한다.

또한, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(102)는, 게이트가 제 1 노드(106)에 연결되고, 소스는 제 2 노드(107)에 연결되며, 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되어 있 다.

또한, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(103)는, 게이트에 선택 신호(108)가 인가되고, 소스는 출력단(Vout)에 연결되며, 드레인은 제 2 노드(107)에 연결되어 있다.

또한, 상기 제 3 MOS 트랜지스터(104)는, 게이트에 리셋 신호(108)가 인가되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며, 소스는 제 1 노드(106)에 연결되어 있다.

또한, 상기 전류원(105)은, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(103)와 접지 단자(VSS) 사이에 연결되어 있으며, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(102)를 바이어싱 한다.

여기서, 상기 제 1 노드(106)는, 포토 다이오드(101)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.

상기와 같이 구성된 3-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로(100)의 이미지 센싱 동작을 설명하면 다음과 같다.

포토 다이오드(101)에는, 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적된다. 이때, 축적된 신호 전하는 제 1 노드(106)의 전위를 변화시키며, 이러한 전위 변화는 상기 픽셀 구동회로(100)의 소스 팔로워(source follower)의 역할을 하는 제 1 MOS 트랜지스터(102)의 게이트 전위를 변화시키게 된다.

제 1 MOS 트랜지스터(102)의 게이트 전위(Vg)의 변화는 제 1 MOS 트랜지스터(102)의 소스 또는 제 2 MOS 트랜지스터(103)의 드레인과 연결된 제 2 노드(107)의 바이어스(Vs)를 변화시킨다.

또한, 신호 전하들이 축적되는 동안 제 3 MOS 트랜지스터(104)의 소스 또는 제 1 MOS 트랜지스터(102)의 게이트의 전위(Vg)가 변화하게 된다. 이때, 제 2 MOS 트랜지스터(103)의 게이트에 선택 신호(108)가 인가되면, 상기 포토 다이오드(101)에서 생성되는 신호 전하에 의해 발생되는 전위차를 출력단(Vout)으로 출력하게 된다.

아울러, 포토 다이오드(101)의 전하 생성에 의해 발생되는 신호 레벨을 검출한 후에는, 리셋 신호(109)에 의해 제 3 MOS 트랜지스터(104)가 턴 온 되며, 이에 따라 포토 다이오드(101)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋 된다.

한편, 도 2는 종래 기술에 따른 4-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로(200)의 회로도를 나타낸 것이다.

4-MOS 트랜지스터 씨모스 이미지 센서는 3-MOS 트랜지스터 씨모스 이미지 센서의 노이즈 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로 그 구성은 다음과 같다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 4-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로(200)는, 포토 다이오드(201), 제 1 MOS 트랜지스터(202), 제 2 MOS 트랜지스터(203), 제 3 MOS 트랜지스터(204), 제 4 MOS 트랜지스터(205), 전류원(206)으로 구성되어 있다.

여기서, 상기 포토 다이오드(201)는, 제 3 노드(209)와 접지 단자(VSS)에 연결되어 있으며, 상기 도 1과 마찬가지로, 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 기능을 한다.

또한, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(202)는, 게이트가 제 1 노드(207)에 연결되고, 소스는 제 2 노드(208)에 연결되며, 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되어 있 다.

또한, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(203)는, 게이트에 선택 신호(210)가 인가되고, 소스는 출력단(Vout)에 연결되며, 드레인은 제 2 노드(208)에 연결되어 있다.

또한, 상기 제 3 MOS 트랜지스터(204)는, 게이트에 리셋 신호(211)가 인가되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며, 소스는 제 1 노드(207)에 연결되어 있다.

또한, 상기 제 4 MOS 트랜지스터(205)는, 게이트에는 트랜스퍼 신호(212)가 인가되고, 소스는 제 3 노드(209)에 연결되며, 드레인은 제 1 노드(207)에 연결되어 있다.

또한, 상기 전류원(206)은, 상기 도 1과 마찬가지로, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(203)와 접지 단자(VSS) 사이에 연결되어 있으며, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(202)를 바이어싱 한다.

여기서, 상기 도 2와 마찬가지로, 도 3의 제 1 노드(207) 역시 포토 다이오드(201)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.

상기와 같이 구성된 4-MOS 트랜지스터 픽셀 구동회로(200)의 이미지 센싱 동작을 설명하면 다음과 같다.

포토 다이오드(201)에는, 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적되고, 축적된 신호 전하가 포토 다이오드(201)의 표면으로 집중되며, 이때 제 4 MOS 트랜지스터(205)의 게이트에 트랜스퍼 신호(212)가 입력되어 제 4 MOS 트랜지스터 (205)가 턴 온되면, 제 1 노드(207)로 신호 레벨이 전달된다.

이러한 상태에서, 만약 제 3 MOS 트랜지스터(204)가 오프 상태를 유지하고 있다면, 제 1 노드(207)에 축적된 신호 전하에 의하여 상기 제 1 노드(207)의 전위를 변화시키게 되며, 이는 제 1 MOS 트랜지스터(202)의 게이트 전위를 변화시키게 된다.

제 1 MOS 트랜지스터(202)의 게이트 전위의 변화는 제 1 MOS 트랜지스터(202)의 소스 또는 제 2 MOS 트랜지스터(203)의 드레인과 연결된 제 2 노드(208)의 바이어스를 변화시킨다.

또한, 신호 전하들이 축적되는 동안 제 3 MOS 트랜지스터(204)의 소스 또는 제 1 MOS 트랜지스터(202)의 게이트의 전위가 변화하게 된다. 이때, 제 2 MOS 트랜지스터(203)의 게이트에 선택 신호(210)가 인가되면, 포토 다이오드(201)에서 생성되는 신호 전하에 의해 발생되는 전위차를 출력단(Vout)으로 출력하게 된다.

아울러, 포토 다이오드(201)의 전하 생성에 의해 발생되는 신호 레벨을 검출한 후에는, 리셋 신호(211)에 의해 제 3 MOS 트랜지스터(204)가 턴 온 되며, 이에 따라 포토 다이오드(201)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋 된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 픽셀 구동회로들은, 상기 포토 다이오드에 의해 축적된 신호 전하들이 소스 팔로워의 역할을 하는 제 1 MOS 트랜지스터의 게이트 전위(Vg)를 변화시키게 되고, 상기 게이트 전위(Vg)의 변화는 상기 제 1 MOS 트랜지스터의 소스 전압(Vs)을 변화를 가져오므로, 상기 제 1 MOS 트 랜지스터의 드레인과 소스간의 전위차가 일정하게 유지되지 않는다.

도 3은 종래 기술에 따른 제 1 MOS 트랜지스터의 전압 이득 특성을 나타낸 그래프로서, 도 3에서 도시한 바와 같이, 종래 기술에 의한 픽셀 구동회로들은 상기 제 1 MOS 트랜지스터의 드레인과 소스간의 일정하지 않은 전위차로 인해 균일하지 않은 전압 이득(301)을 가지게 된다.

따라서, 상기와 같은 전압 이득의 불균일성으로 인해 고정잡음이 발생하게 되고, 상기 고정잡음으로 인해 다이나믹 레인지 및 신호대 잡음비 특성이 떨어지게 되어 화질이 열화되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 이루어진 것으로, 소스 팔로워의 역할을 하는 능동소자가 균일한 전압이득을 갖도록 상기 회로를 구현함에 따라, 고정잡음 특성이 개선되고, 다이나믹 레인지 및 신호대 잡음비가 향상될 뿐 아니라 고화질의 이미지를 출력할 수 있는 픽셀 구동회로를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 픽셀 구동회로는, 제 1 노드 및 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드에 연결되어, 상기 광전 변환소자에 의해 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자에 연결되며, 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력하는 제 2 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드 및 전원 단자에 연결되며, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 능동소자; 상기 제 2 능동소자 및 접지 단자에 연결되어, 상기 제 1 능동소자를 바이어싱하는 제 1 전류원; 및 상기 제 1 능동소자 및 상기 제 2 능동소자와 상기 전원 단자 및 출력단 사이에 연결되어, 상기 제 1 능동소자의 제 2 단자 및 제 3 단자 사이의 전위차를 일정하게 유지시키는 전압 유지부;를 포함한다.

여기서, 상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 능동소자와 제 2 능동소자 및 제 3 능동소자의 상기 제 1 단자 내지 제 3 단자는 각각 게이트, 소스, 및 드레인인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전압 유지부는, 상기 제 2 노드의 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 1 버퍼; 제 3 노드 및 출력단 사이에 연결되어 일정 전압이 인가되는 저항; 상기 저항에 인가된 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 2 버퍼; 및 상기 전원 단자 및 제 3 노드 사이에 연결되어 상기 저항에 일정 전압이 인가되도록 일정 전류를 공급하는 제 2 전류원;을 포함한다.

이때, 상기 제 1 버퍼는, 상기 제 2 노드의 전압이 부입력으로 궤환되고, 상 기 제 2 버퍼는, 상기 저항에 인가된 전압이 부입력으로 궤환되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 능동소자의 게이트는 상기 제 1 노드와 연결되고, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 버퍼에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 능동소자의 게이트에는 선택 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 전류원에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3 능동소자의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되며, 드레인은 상기 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 능동 소자 내지 제 3 능동소자는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 의한 또 다른 픽셀 구동회로는, 제 4 노드 및 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드에 연결되며, 상기 광전 변환소자에 의해 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자에 연결되며, 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력하는 제 2 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드 및 전원 단자에 연결되며, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 능동소자; 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드와 제 4 노드에 연결되며, 트랜스퍼 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호 전하를 트랜스퍼 시키는 제 4 능동소자; 상기 제 2 능동소자 및 접지 단자에 연결되어, 상기 제 1 능동소자를 바이어싱하는 제 1 전류원; 및 상기 제 1 능동소자 및 상기 제 2 능동소자와 상기 전원 단자 및 출력단 사이에 연결되어, 상기 제 1 능동소자의 제 2 단자 및 제 3 단자 사이의 전압을 일정하게 유지시키는 전압 유지부;를 포함한다.

여기서, 상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 4 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 능동소자와 제 2 능동소자 및 제 3 능동소자의 상기 제 1 단자 내지 제 3 단자는 각각 게이트, 소스, 및 드레인인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전압 유지부는, 상기 제 2 노드의 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 1 버퍼; 제 3 노드 및 출력단 사이에 연결되어 일정 전압이 인가되는 저항; 상기 저항에 인가되는 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 2 버퍼; 및 상기 전원 단자 및 제 3 노드 사이에 연결되어 상기 저항에 일정 전압이 인가되도록 일정 전류를 공급하는 제 2 전류원;을 포함한다.

이때, 상기 제 1 버퍼는, 상기 제 2 노드의 전압이 부입력으로 궤환되고, 상기 제 2 버퍼는, 상기 저항에 인가되는 전압이 부입력으로 궤환되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 능동소자의 게이트는 상기 제 1 노드와 연결되고, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 버퍼에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 능동소자의 게이트에는 선택 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 전류원에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3 능동소자의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되며, 드레인은 상기 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 4 능동소자의 게이트에는 트랜스퍼 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 4 노드에 연결되며, 드레인은 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 능동 소자 내지 제 4 능동소자는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 픽셀 구동회로(400)의 회로도를 나타낸 것으로, 도 4에서 도시한 바와 같이, 실시예 1에 따른 픽셀 구동회로(400)는 제 1 능동소자(402), 제 2 능동소자(403), 제 3 능동소자(404), 제 1 전류원(405), 전압 유지부(406)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 광전 변환소자(401)는, 제 1 노드(407) 및 접지 단자(VSS)에 연결되어 있는데, 상기 광전 변환소자(401)의 양극 단자는 접지 단자(VSS)와 연결되고 음극 단자는 상기 제 1 노드(407)에 연결되어 있으며, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 역할을 한다. 이때, 제 1 노드(407)는, 상기 광전 변환소자(401)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.

또한, 상기 광전 변환소자(401)로는 포토 다이오드가 주로 사용되므로, 이하의 설명에서는 광전 변환소자로서 포토 다이오드를 중심으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 포토 다이오드뿐만 아니라 빛의 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 모든 광전 변환소자에 적용될 수 있다. 비록 본 명세서에서는 포토 다이오드를 중심으로 설명하지만 본 발명의 개념과 범위가 포토 다이오드로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 제 1 능동소자(402)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드(407)에 연결되어, 상기 포토 다이오드(401)에 의해 상기 제 1 노드(407)에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드(408)의 바이어스를 변화시킨다.

또한, 상기 제 2 능동소자(403)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자(402)에 연결되며, 선택 신호(410)가 인가되어 상기 포토 다이오드(401)에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력한다.

또한, 상기 제 3 능동소자(404)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드(407) 및 전원 단자(VDD)에 연결되며, 리셋 신호(411)가 인가되어 상기 제 1 노드(407)에 축적된 신호 전하를 리셋시킨다.

이때, 상기 제 1 내지 제 3 능동소자(402~404)의 제 1 내지 제 3 단자는, 게이트, 소스, 및 드레인이며, 상기 제 1 내지 제 3 능동소자(402~404)는 게이트 및 소스에 인가되는 전압의 크기 및 극성에 따라 소스로부터 드레인으로 또는 그 역으로 흐르는 전류의 양 및 방향이 결정되는 특성을 가진다.

이러한 능동 소자로는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 정션 전계 효과 트랜지스터(JFET), 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET),MOS 트랜지스터 등이 있는데, 그 중 MOS 트랜지스터가 주로 사용된다.

이에 따라, 이하의 설명에서는 능동 소자로서 MOS 트랜지스터를 중심으로 설명하고자 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 MOS 트랜지스터 뿐만 아니라 상기 능동소자로 사용될 수 있는 소자에 적용할 수 있다. 비록 본 명세서에서는 MOS 트랜지스터를 중심으로 설명하지만, 본 발명의 개념과 범위가 MOS 트랜지스터로 한정되는 것은 아니다.

따라서, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402)의 게이트는 상기 제 1 노드(407)와 연결되고, 소스는 상기 제 2 노드(408)에 연결되며, 드레인은 후술할 상기 전압 유지부(406)의 제 2 버퍼(406c)에 연결된다.

또한, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(403)의 게이트에는 선택 신호(410)가 인가되고, 소스는 상기 제 1 전류원(405)에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 노드(408)에 연결된다.

또한, 상기 제 3 MOS 트랜지스터(404)의 게이트에는 리셋 신호(411)가 인가되고, 소스는 상기 제 1 노드(407)에 연결되며, 드레인은 상기 전원 단자(VDD)에 연결된다.

한편, 상기 제 1 전류원(405)는, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(403) 및 접지 단자(VSS)에 연결되어 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402)를 바이어싱하며, 상기 전압 유지부(406)는, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402) 및 상기 제 2 MOS 트랜지스터(403)와 상기 전원 단자(VDD) 및 출력단(Vout) 사이에 연결되어, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402)의 드레인 및 소스 사이의 전위차를 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

이때, 상기 전압 유지부(406)는, 제 1 버퍼(406a), 저항(406b), 제 2 버퍼(406c), 제 2 전류원(406d)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 저항(406b)은 제 3 노드(409) 및 출력단(Vout) 사이에 연결되어 일정 전압이 인가되는데, 이때의 일정 전압은 상기 전원 단자(VDD) 및 제 3 노드(409) 사이에 연결되어 상기 저항(406b)에 일정 전류를 공급하는 상기 제 2 전류원(406d)에 의해 인가된다.

또한, 상기 제 1 버퍼(406a)는 상기 제 2 노드(408)의 전압을 버퍼링하여 출력하고, 상기 제 2 버퍼(406c)는 상기 저항(406b)에 인가된 전압을 버퍼링하여 출력한다.

이때, 상기 제 1 버퍼(406a)는, 상기 제 2 노드(408)의 전압이 부입력으로 궤환되고, 상기 제 2 버퍼(406c)는, 상기 저항(406b)에 인가된 전압이 부입력으로 궤환된다.

이에 따라, 상기 제 2 전류원(406d)에 의해 일정 전압이 상기 저항(406b)에 인가되며, 일정 전압이 인가된 상기 저항(406b)과 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402) 및 상기 제 2 MOS 트랜지스터(403) 사이에 연결된 상기 제 1 및 제 2 버퍼(406a, 406c)에 의하여 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402)의 게이트 전위(Vg) 변화량과 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402)의 드레인 및 소스 사이의 전위차 변화량이 동일하게 되고 이에 따라 상기 제 1 MOS 트랜지스터(402)의 전압 이득 특성이 동일하게 유지된다.

따라서, 상기와 같이 동일하게 유지되는 전압 이득 특성으로 인해 고정잡음이 현저히 줄어들게 되며, 이로 인해 다이나믹 레인지 및 신호대 잡음비 특성이 현저히 향상되게 되어 고화질의 이미지를 출력할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 구현할 수 있게 된다.

실시예 2

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 픽셀 구동회로(500)의 회로도를 나타낸 것으로, 도 5에서 도시한 바와 같이, 실시예 2에 따른 픽셀 구동회로(500)는 제 1 능동소자(502), 제 2 능동소자(503), 제 3 능동소자(504), 제 4 능동소자(505), 제 1 전류원(506), 전압 유지부(507)로 구성되어 있다.

실시예 1 과 마찬가지로, 상기 광전 변환소자(501)로는 포토 다이오드가 주로 사용되며, 이하의 설명에서는 광전 변환소자로서 포토 다이오드를 중심으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 포토 다이오드뿐만 아니라 빛의 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 모든 광전 변환소자에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 포토 다이오드(501)는, 제 4 노드(511) 및 접지 단자(VSS)에 연결되어 있는데, 상기 포토 다이오드(501)의 양극 단자는 접지 단자(VSS)와 연결되고 음극 단자는 상기 제 4 노드(511)에 연결되어 있으며, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 역할을 한다.

또한, 상기 제 1 능동소자(502)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드(508)에 연결되어, 상기 포토 다이오드(501)에 의해 상기 제 1 노드(508)에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드(509)의 바이어스를 변화시킨다.

또한, 상기 제 2 능동소자(503)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자(502)에 연결되며, 선택 신호(512)가 인가되어 상기 포토 다이오드(501)에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력한다.

또한, 상기 제 3 능동소자(504)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드(508) 및 전원 단자(VDD)에 연결되며, 리셋 신호(513)가 인가되어 상기 제 1 노드(508)에 축적된 신호 전하를 리셋시킨다.

또한, 상기 제 4 능동소자(505)는, 제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드(508)와 제 4 노드(511)에 연결되며, 트랜스퍼 신호(514)가 인가되어 상 기 포토 다이오드(501)에서 생성된 신호 전하를 트랜스퍼 시킨다.

이때, 상기 제 1 내지 제 4 능동소자(502~505)의 제 1 내지 제 3 단자는, 실시예 1과 마찬가지로 게이트, 소스, 및 드레인이며, 상기 제 1 내지 제 4 능동소자(502~505)는 게이트 및 소스에 인가되는 전압의 크기 및 극성에 따라 소스로부터 드레인으로 또는 그 역으로 흐르는 전류의 양 및 방향이 결정되는 특성을 가진다.

또한, 실시예 1 과 마찬가지로, 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 정션 전계 효과 트랜지스터(JFET), 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET), MOS 트랜지스터 등이 상기 제 1 내지 제 4 능동소자(502~505)로 사용될 수 있는데, 그 중 MOS 트랜지스터가 주로 사용되므로, 이하의 설명에서는 능동 소자로서 MOS 트랜지스터를 중심으로 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 기술적 사상은 MOS 트랜지스터 뿐만 아니라 상기 능동소자로 사용될 수 있는 소자에 적용할 수 있다.

따라서, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502)의 게이트는 상기 제 1 노드(508)와 연결되고, 소스는 상기 제 2 노드(509)에 연결되며, 드레인은 후술할 상기 전압 유지부(507)의 제 2 버퍼(507c)에 연결된다.

또한, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)의 게이트에는 선택 신호(512)가 인가되고, 소스는 상기 제 1 전류원(506)에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 노드(509)에 연결된다.

또한, 상기 제 3 MOS 트랜지스터(504)의 게이트에는 리셋 신호(513)가 인가되고, 소스는 상기 제 1 노드(508)에 연결되며, 드레인은 상기 전원 단자(VDD)에 연결된다.

또한, 상기 제 4 MOS 트랜지스터(505)의 게이트에는 트랜스퍼 신호(514)가 인가되고, 소스는 상기 제 4 노드(511)에 연결되며, 드레인은 상기 제 1 노드(508)에 연결된다.

한편, 상기 제 1 전류원(506)은, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503) 및 접지 단자(VSS)에 연결되어 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502)를 바이어싱하며, 상기 전압 유지부(507)는, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502) 및 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)와 상기 전원 단자(VDD) 및 출력단(Vout) 사이에 연결되어, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502)의 드레인 및 소스 사이의 전위차를 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

이때, 상기 전압 유지부(507)는, 제 1 버퍼(507a), 저항(507b), 제 2 버퍼(507c), 제 2 전류원(507d)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 저항(507b)은 제 3 노드(510) 및 출력단(Vout) 사이에 연결되어 일정 전압이 인가되는데, 이때의 일정 전압은 상기 전원 단자(VDD) 및 제 3 노드(510) 사이에 연결되어 상기 저항(507b)에 일정 전류를 공급하는 상기 제 2 전류원(507d)에 의해 인가된다.

실시예 1과 마찬가지로, 상기 제 1 버퍼(507a)는 상기 제 2 노드(509)의 전압을 버퍼링하여 출력하고, 상기 제 2 버퍼(507c)는 상기 저항(507b)에 인가된 전압을 버퍼링하여 출력한다.

이때, 상기 제 1 버퍼(507a)는, 상기 제 2 노드(509)의 전압이 부입력으로 궤환되고, 상기 제 2 버퍼(507c)는, 상기 저항(507b)에 인가된 전압이 부입력으로 궤환된다.

이에 따라, 실시예 1과 마찬가지로, 상기 제 2 전류원(507d)에 의해 일정 전압이 상기 저항(507b)에 인가되며, 일정 전압이 인가된 상기 저항(507b)과 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502) 및 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503) 사이에 연결된 상기 제 1 및 제 2 버퍼(507a, 507c)에 의하여 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502)의 게이트 전위(Vg) 변화량과 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502) 드레인 및 소스 사이의 전위차 변화량이 동일하게 되고, 이에 따라 상기 제 1 MOS 트랜지스터(502)의 전압 이득 특성이 동일하게 유지된다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 픽셀 구동회로는, 소스 팔로워의 역할을 하는 능동소자가 균일한 전압이득을 갖도록 상기 회로를 구현함에 따라, 고정잡음특성이 개선되어 고화질의 이미지를 출력할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고정잡음 특성이 개선됨에 따라 다이나믹 레인지 및 신호대 잡음비가 향상되는 이점이 있다.

Claims (19)

1. 제 1 노드 및 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자;

   제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드에 연결되어, 상기 광전 변환소자에 의해 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 능동소자;

   제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자에 연결되며, 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력하는 제 2 능동소자;

   제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드 및 전원 단자에 연결되며, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 능동소자;

   상기 제 2 능동소자 및 접지 단자에 연결되어, 상기 제 1 능동소자를 바이어싱하는 제 1 전류원; 및

   상기 제 1 능동소자 및 상기 제 2 능동소자와 상기 전원 단자 및 출력단 사이에 연결되어, 상기 제 1 능동소자의 제 2 단자 및 제 3 단자 사이의 전위차를 일정하게 유지시키는 전압 유지부;를 포함하는 픽셀 구동회로
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 능동소자와 제 2 능동소자 및 제 3 능동소자의 상기 제 1 단자 내지 제 3 단자는 각각 게이트, 소스, 및 드레인인 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
4. 제 3항에 있어서, 상기 전압 유지부는,

   상기 제 2 노드의 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 1 버퍼;

   제 3 노드 및 출력단 사이에 연결되어 일정 전압이 인가되는 저항;

   상기 저항에 인가된 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 2 버퍼; 및

   상기 전원 단자 및 제 3 노드 사이에 연결되어 상기 저항에 일정 전압이 인가되도록 일정 전류를 공급하는 제 2 전류원;을 포함하는 픽셀 구동회로.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 1 버퍼는, 상기 제 2 노드의 전압이 부입력으로 궤환되고, 상기 제 2 버퍼는, 상기 저항에 인가된 전압이 부입력으로 궤환되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제 1 능동소자의 게이트는 상기 제 1 노드와 연결되고, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 버퍼에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 제 2 능동소자의 게이트에는 선택 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 전류원에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 제 3 능동소자의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되며, 드레인은 상기 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 1 능동 소자 내지 제 3 능동소자는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
10. 제 4 노드 및 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자;

    제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 노드에 연결되며, 상기 광전 변환소자에 의해 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 이용하여 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 능동소자;

    제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 능동소자에 연결되며, 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의해 발생된 전위차를 출력하는 제 2 능동소자;

    제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드 및 전원 단자에 연결되며, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 능동소자;

    제 1 내지 제 3 단자를 구비하고, 상기 제 1 노드와 제 4 노드에 연결되며, 트랜스퍼 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호 전하를 트랜스퍼 시키는 제 4 능동소자;

    상기 제 2 능동소자 및 접지 단자에 연결되어, 상기 제 1 능동소자를 바이어싱하는 제 1 전류원; 및

    상기 제 1 능동소자 및 상기 제 2 능동소자와 상기 전원 단자 및 출력단 사이에 연결되어, 상기 제 1 능동소자의 제 2 단자 및 제 3 단자 사이의 전압을 일정하게 유지시키는 전압 유지부;를 포함하는 픽셀 구동회로
11. 제 10항에 있어서,

    상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 4 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 제 1 능동소자와 제 2 능동소자 및 제 3 능동소자의 상기 제 1 단자 내지 제 3 단자는 각각 게이트, 소스, 및 드레인인 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
13. 제 12항에 있어서, 상기 전압 유지부는,

    상기 제 2 노드의 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 1 버퍼;

    제 3 노드 및 출력단 사이에 연결되어 일정 전압이 인가되는 저항;

    상기 저항에 인가되는 전압을 버퍼링하여 출력하는 제 2 버퍼; 및

    상기 전원 단자 및 제 3 노드 사이에 연결되어 상기 저항에 일정 전압이 인가되도록 일정 전류를 공급하는 제 2 전류원;을 포함하는 픽셀 구동회로.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 제 1 버퍼는, 상기 제 2 노드의 전압이 부입력으로 궤환되고, 상기 제 2 버퍼는, 상기 저항에 인가되는 전압이 부입력으로 궤환되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 제 1 능동소자의 게이트는 상기 제 1 노드와 연결되고, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 버퍼에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
16. 제 14항에 있어서,

    상기 제 2 능동소자의 게이트에는 선택 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 전류원에 연결되며, 드레인은 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
17. 제 14항에 있어서,

    상기 제 3 능동소자의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되며, 드레인은 상기 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
18. 제 14항에 있어서,

    상기 제 4 능동소자의 게이트에는 트랜스퍼 신호가 인가되고, 소스는 상기 제 4 노드에 연결되며, 드레인은 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.
19. 제 15항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제 1 능동 소자 내지 제 4 능동소자는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 픽셀 구동회로.

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